第22卷 第1期地 球 物 理 学 进 展Vol.22 No.1
2007年2月(页码:104～111)PROGRESS IN GEOPHYSICSFeb. 2007
海洋重力辅助导航的研究现状与发展徐遵义1,2, 晏 磊2, 宁书年1, 邹华胜1(1.中国矿业大学(北京),北京100083;
2.北京大学遥感与GIS研究所,北京市空间信息集成与3S应用重点实验室,北京100871)
摘 要 海洋重力辅助导航是近几年舰船导航研究的热点和前沿问题,是下一代舰船高精度导航系统.本文在进行了一般性辅助导航方法的概述之后,详细介绍了与辅助导航相关的重力场基本概念、重力辅助导航系统的主要研究内容、基本原理;从重力传感器、重力图数据处理及重力图匹配理论与算法三个方面详细介绍了其国内外研究现状,
重点介绍了重力梯度仪辅助导航、重力辅助惯性导航和通用重力模块三种系统的体系结构和研究成果;总结了重力辅助导航涉及的关键技术及其发展趋势;最后给出了我国开展海洋重力辅助导航研究的若干建议.
关键词 重力传感器,重力导航,无源导航,卡尔曼滤波中图分类号 P3,TJ6 文献标识码 A 文章编号 100422903(2007)0120104208
Situationanddevelopmentofmarinegravityaidednavigationsystem
XUZun2yi1,2, YANLei2, NINGShu2nian1, ZOUHua2sheng1(1.ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;
2.BeijingKeyLabofSpatialInformationIntegrationandItsApplications,PekingUniversity,Beijing100871,China
)
Abstract PassiveGravityAidedNavigation(GAN)systemisanewtypeoneunderwater,whichhasbeenresearchedforseveralyearsasnewsubmarineprecisionnavigationsystem.Inthispaper,weintroducethemainresearchcontentandthebasicprincipleofGAN,thesituationanddevelopmentofthegravitysensor,digitalmapprocessingandmatc2hingtheoryinhomeandabroad,especiallythearchitectureandtheresearchresultsofGradiometerAsanExternalNavigationAid(GAEA),GravityAidedInertialNavigationSystem(GAINS)andUniversalGravityModule(UGM).Atlast,thekeytechnologiesandsomeproposalsaregiven.
Keywords gravitysensor,gravitynavigation,passivenavigation,kalmanfilter
收稿日期 2006203210; 修回日期 2006206220.
基金项目 国家安全重大基础研究项目(513060301)资助.
作者简介 徐遵义,1969年12月,男,汉族,山东济宁人,博士生,主要研究方向计算机仿真、地球探测与信息技术,中国矿业大学(北京);
晏磊,1956年10月,男,湖北武汉人,教授,博士生导师,主要研究方向导航与自动控制,北京大学遥感与GIS研究所.(E2mail:
zunyixu@sohu.com)
0 引 言目前,水下运载体的主要导航系统普遍采用惯性导航系统(InertialNavigationSystem,INS),为减少INS定位误差随时间积累的问题,人们研究设计了多种辅助导航方法,定期对INS进行修正,常用的有天体辅助导航、无线电辅助导航(如GPS)、声纳辅助导航、地形辅助导航等,但上述辅助导航手段均要牺牲水下运载体的隐蔽性,使其安全受到威胁,有的还要额外消耗水下运载体的大量能量.重力辅助导航是利用重力传感器测量地球重力场,根据地球重力场的变化进行定位,不需要发射和接收其它电磁信号,是真正的无源导航,成为近年舰船导航领域研究的热点和前沿
1 重力辅助导航的基本原理重力场是一种力场,存在于地球表面及其附近1期徐遵义,等:海洋重力辅助导航的研究现状与发展的空间,通常用重力位面(又称等位面或水准面)来描述,处于平均海平面的重力位面称为大地水准面,用于辅助导航的重力场几何参数有垂线偏差、重力异常和重力梯度[1].垂线偏差又称重力垂线偏差,是大地水准面上某点的重力方向与通过该点到正常椭球面的法线方向之间的夹角,通常用ξ(南北分量)和η(东西分量)表示;重力异常是指大地水准面上某点的重力与该点在正常椭球面投影点处的正常重力之差,通常用Δg表示,标准计量单位为伽(Gal,1Gal=10-2m/s2,1Gal=103mGal=106μGal).重力异常梯度张量与扰动重力位有关.扰动重力位是指同一点上地球重力位与正常位之差,通常用T表示,即T=W-U,(1)式中W为重力位,U为正常重力位.重力扰动向量Ti和重力异常梯度张量Tij在采用东、北、地的导航坐标系中定义为[2,3]Ti=5T5x5T5y5T5z=-g0ξ-g0ηΔg,(2)Tij=52T5x252T5x5y52T5x5z52T5y5x52T5y252T5y5z52T5z5x52T5z5y52T5z2.(3)重力梯度的单位为艾维(E或EU,1E=10-9/s2,1E=10-4mGal/m=10-1μGal/m).在INS中,陀螺稳定平台上的加速度计测量的是比力,即惯性加速度与重力向量之差,为了区分载体运动的惯性加速度和重力加速度,惯性导航仪器必须有重力场的数学模型,传统INS重力计算如图1所示[12].目前,重力异常是高性能INS的最大剩余误差,对于水面舰船,重力异常分量约有30～50mGal的偏差.因此,为了提高INS的精度,除不断改进重力场数学模型外还希望能实时测量舰船所在位置的重力场值.图1 传统惯性导航系统中重力的计算Fig.1 GravitycomputationinaconventionalInertialnavigationsystem重力辅助导航系统的基本原理[4～5]是:载体在运动过程中,重力传感器实时测量重力特征数据;同时,根据INS的位置信息,从重力图中读取重力数据;将这两种数据送给匹配解算计算机,利用匹配解算软件进行解算,求得最佳匹配位置.利用该信息对INS进行校正,可起到抑制INS误差,提高导航精度的作用.重力图形匹配导航系统通常由INS、重力图库、重力传感器和匹配解算计算机等组成,如图2
所示.重力辅助导航的主要研究内容包括动基座重力仪、重力梯度仪的设计与制造,重力场模型和重力数据处理,重力图匹配理论与匹配算法以及各种系统误差的校正理论与方法.
重力辅助导航方式之一是利用水下运载体上安装的测深仪和重力计为测量设备,根据实时获得的重力异常与载体上保存的重力异常海图进行匹配[10],利用扩展卡尔曼滤波实时估计载体位置,其
度量函数为:
y1=G(xt,yt)-GM(xi,yi),(4)式中,G(xt,y
t)为水下运载体在真实位置(xt,yt)处
重力异常测量值,G
M(xt,yt)为与(xt,yt)对应的
INS指示位置(xt,yt)处重力异常地图值,由于y1与位置(x,y)是非线性关系,可利用泰勒级数展开,
或者将其进行线性近似为y1=h(x,y)+ε,(5)式中,ε为测量和海图等模型误差,则有
y1≈5G
M(x,y)
5x
|
x=xi
×Δx
i
+5G
M(x,y)
5y
|
y=yi
×Δy+ε.(6)
图2 重力辅助导航系统Fig.2 Gravityaidednavigationsystem(GANS)
501地 球 物 理 学 进 展22卷重力辅助导航方式之二是根据水下运载体单轴或三轴安装的重力梯度仪实时获取的重力梯度值与载体上保存的重力梯度图进行匹配[11],利用扩展卡尔曼滤波进行各种导航误差的估计.重力梯度测量如图3所示,当|δR|远远小于重力变化最短波长(w)时,TTij-Tij=-δR×Tijk.(7)考虑到各种误差,测量方程为TIij-TMij≈CIN[-TMijk×δR+TRij]+TGij,(8)式中,TIij重力梯度实时测量值,TMij与TIij对应的海图值,CIN为重力梯度仪坐标系到导航坐标系变换余旋矩阵,-TMijk海图上重力梯度导数值,δR位置误差,TRij重力梯度海图误差,TGij重力梯度计误差.图3 重力梯度测量误差示意图Fig.3 Gravitygradientsurveyerrorschematicdiagram 在安装有重力仪、重力梯度仪的系统内,不仅可以进行重力异常、重力梯度的直接匹配,而且还可以利用重力梯度实时计算重力异常和垂线偏差,在卡尔曼滤波器中进行速度误差的估计.2 重力辅助导航系统的研究现状从目前公开发表的文献可知,重力辅助导航的研究始于20世纪70年代美国海军的一项绝密军事计划,其目的是提高三叉戟弹道导弹潜艇性能.在美国海军的支持下陆续参加此项研究工作的主要单位有AnalyticSciencesCorporation、BellAerospaceCompany、CharlesStarkDraperLaboratory(CS2DL)、HughesResearchLaboratories和LockheedMartinFederalSystemInc等.重力梯度仪早在1880年就由BaronRolandVonEotvos研制出来,但无法应用在运动基座上,如潜艇、飞机等.二十世纪70年代中期美国Hughes、Draper实验室和BellAerospaceTextron分别研制出三种不同类型的精度为1E的重力梯度仪实验室样机:旋转重力梯度仪、液浮重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪;80年代初Maryland
大学研制出了精度为0.01E的单轴超导重力梯度仪实验室样机,同时开展超导重力梯度仪研究的单位还有:美国BendixfieldEngineering、Stanford大学、SmithsonianAstrophysicalObservatory(SAO
)、SperryDefenseSystem,意大利
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